基质暴露水平对ANAMMOX微生物活性及生物量的影响

基质暴露水平对ANAMMOX微生物的生长代谢有着重要意义,目前关于基质暴露水平对ANAMMOX污泥长期富集过程中生长特性的研究少有报道.采用两个连续流搅拌反应器,在逐步提升进水负荷的过程中,研究了高基质暴露水平培养方式(R1:出水NH_4~+-N和NO_2--N浓度均为40～60 mg·L~(-1))与低基质暴露水平培养方式(R~2:出水NH_4~+-N和NO_2--N浓度均为0～20 mg·L~(-1))对ANAMMOX微生物生长量和生物活性,以及反应器脱氮效能的影响及机制.结果表明,高基质暴露水平培养方式更有利于ANAMMOX反应器脱氮性能的提升.相比之下,高基质暴露水平培养方式下获得的NLR [0. 69 kg·(m~3·d)~(-1)]和NRR [0. 41 kg·(m~3·d)~(-1)]分别是低基质暴露水平培养方式的2倍;高基质暴露水平培养方式下,ANAMMOX污泥浓度(以VSS计)和总基因拷贝数分别达到1805 mg·L~(-1)和4. 81×1012copies,更有利于ANAMMOX微生物的快速富集培养;低基质暴露水平培养方式下,ANAMMOX污泥的活性更强[以N/VSS计,0. 27 g·(g·d)~(-1)],有利于富集生物活性更高的ANAMMOX污泥.     

不同基质浓度对ANAMMOX菌短期储存的影响

在15℃±1℃条件下,将厌氧氨氧化菌混培物分别置于基质浓度为0、60、120 mg·L~(-1)添加比例为1∶1的NH+4-N和NO-2-N环境中短期(15 d)储存,探究不同基质浓度对厌氧氨氧化污泥短期保存及恢复的影响.经过短期储存后进行恢复实验,结果表明,1、2、3号反应器(分别对应0、60、120 mg·L~(-1)基质浓度中储存的厌氧氨氧化菌混培物)中的厌氧氨氧化活性分别下降41. 8%、17. 4%、33. 4.%,1、3号分别由于过度内源呼吸和高基质浓度抑制,导致活性下降较大,2号反应器由于基质浓度相对合适,避免了过度内源呼吸和高基质浓度抑制,使得菌种活性在该基质浓度下保留较好;储存期间,3个反应器内均发生内源呼吸消耗自身有机物的情况,导致EPS含量下降50. 9%、41. 7%、23. 7%和粒径下降31. 6%、16. 7%、8. 2%,表明在基质匮乏期菌体通过内源呼吸的方式维持自身的活性,较高的基质浓度可以在一定程度上延缓内源呼吸过程;在恢复期间,3个反应器分别经过15、10、7 d实现脱氮性能和厌氧氨氧化活性的恢复,表明同菌种增殖富集相比,原系统通过菌种活性增强的方式脱氮性能恢复更快.     

ANAMMOX的快速启动及EPS在ANAMMOX颗粒污泥中的空间分布

为探讨厌氧氨氧化反应的快速启动过程及胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)在厌氧氨氧化颗粒污泥中的空间分布,采用厌氧序批式反应器(anaerobic sequencing batch reactor,ASBR)接种活性污泥成功启动厌氧氨氧化反应.结果表明稳定运行时,NH_4~+-N、NO_2~--N去除率均达到99%以上,TN去除率为89.87%±0.43%,总氮(TN)去除负荷达到1.7kg·(m~3·d)~(-1).NH_4~+-N与NO_2~--N的消耗量和NO_3~--N生成量之间的比例关系为1∶(1.32±0.08)∶(0.24±0.03).反应器运行中,出水pH和NO_3~--N浓度可作为反应性能的指标,快速判断反应器运行情况.蛋白质为厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的主要组分,蛋白质(PN)和多糖(PS)的含量分别为(59.61±5.64)mg·g~(-1)、(12.21±2.04)mg·g~(-1),PN/PS为4.88±1.39.β-D-呋喃葡萄糖和死细胞集中分布在颗粒污泥最外层;活细胞、蛋白质、脂类、α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖遍布整个颗粒污泥,但主要集中在外侧.蛋白质和脂类构成了厌氧氨氧化颗粒污泥的骨架,厌氧氨氧化菌分布在蛋白质和脂类中间.     

信号分子对高负荷UASB中ANAMMOX颗粒特性的影响

针对高负荷反应器中ANAMMOX颗粒污泥易上浮流失的问题,进行外源添加酰基高丝氨酸内酯类信号分子（AHLs）对污泥特性的影响研究.结果表明添加30mg/L辛酰基高丝氨酸内酯（C8-HSL）可对颗粒污泥沉降性能产生长期影响,能够有效控制高负荷UASB中ANAMMOX颗粒污泥上浮.仅在实验初期（0~20d）向反应器R2中添加C8-HSL,在实验进行至100d时R2中颗粒污泥B-EPS含量相比对照组R1降低15%,PN/PS值由4.22下降至2.14,同时污泥颗粒表面疏水性提高了26%,因此R2中颗粒污泥的沉降性能大幅提高（颗粒污泥密度增加了24%,沉速提高了90%）.实验进行至100d,R2未发生较明显污泥上浮现象,此时氮容积负荷NLR为12.9kg-TN/（m³·d）,氮容积去除率NRR高达11.3kg-TN/（m³·d）,氮去除率达88%.己酰基高丝氨酸内酯（C6-HSL）可使污泥颗粒的活性有所提高,而十二烷酰基高丝氨酸内酯（C12-HSL）则对高负荷反应器中颗粒污泥的特性没有影响.     

高浓度磷对厌氧氨氧化效能及颗粒污泥特性的影响

为了研究高浓度磷对厌氧氨氧化效能和污泥特性的影响,采用UASB反应器进行连续试验,考察不同磷浓度时的Anammox脱氮效能,并通过扫描电镜和能谱分析技术对颗粒污泥表面形态和元素组成分析。结果表明:磷浓度达到600 mg/L时开始抑制厌氧氨氧化脱氮效能,700 mg/L对Anammox脱氮效能造成91.86%的抑制,降低磷浓度培养10 d后完全恢复;随着进水磷浓度的增加,反应器对磷的截留率减小;高浓度磷导致反应器底部颗粒污泥表面形成白色固体,为由C、O、P和Ca构成羟基磷灰石和磷酸钙等难溶化合物,能谱分析结果显示,该固体中O、P、C和Ca原子数量分别占41.89%、21.78%、14.41%和10.82%。     

采用颜色空间表征ANAMMOX启动与冲击过程

厌氧氨氧化(ANAMMOX)是一种高效、节能的脱氮技术,但是其启动过程和稳定状态的表征目前仍缺乏一个简单易行的方法.针对这一问题,在水质分析的基础上,采用颜色空间重点监测ANAMMOX启动过程中污泥的颜色变化,并借助高通量测序技术对微生物菌群的种类和数量等进行分析.结果表明:(1)根据水质特征,整个启动过程可分为活性迟滞期、活性增强期、负荷提高期、稳定运行期.与此同时,HSV、CIELAB颜色空间的指标,整体上呈现先降低后升高的趋势,然后保持稳定.污泥颜色的变化与水质的变化以及分子生物学特征中优势菌群的变迁一致,因此,三者之间具有相关性,进而表明,采用颜色空间可对ANAMMOX启动过程进行准确表征;(2)当遇到高负荷引起的冲击时,H、S、a~*、b~*、C_(ab)~*等指标与总无机氮(TIN)容积去除速率均呈现降低的趋势,而H_(ab)出现了突升,但均能准确反映出系统的冲击特性.提出了基于颜色空间表征ANAMMOX启动各阶段的方法并建立了一套冲击过程指标体系,为颜色空间在ANAMMOX系统中的应用提供了理论基础.     

颗粒污泥厌氧氨氧化动力学特性及微量NO2的影响

采用批试验方法,研究了颗粒污泥厌氧氨氧化动力学特性及微量NO2的影响.用Haldane模型描述厌氧氨氧化反应动力学,得到最大氨氮反应速率6.65×10-3tmg·(mg·h)-1、氨氮半饱和常数87.1 nag·L-1和抑制常数1 123 mg·L-1,亚硝态氮半饱和常数15.39 mg·L-1和抑制常数159.5 mg·L-1.微量NO2对厌氧氨氧化具有强化作用,基于Haldane模型建立了厌氧氨氧化的NO2强化函数,估计了强化函数中的最大强化系数48.79、NO2半饱和常数2480 mg·m-3、NO2抑制常数4.22 mg·m-3和基础速率系数0.018 2.试验中大部分的NOx出现损失.     

温度和储存基质对储存后厌氧颗粒污泥特性的影响

温度和储存基质是颗粒污泥储存过程中的重要控制因子.本文选取某IC反应器内典型厌氧颗粒污泥(AGS)为对象,研究了温度和储存基质对储存后AGS理化性质、结构特征和菌群结构的影响.结果显示,常温(20℃)和添加基质可减缓储存过程中AGS粒径下降,维持形状稳定.中温(35℃)利于削减储存液中积累的酪氨酸、色氨酸等芳香性氨基酸,但会增加难降解腐殖酸类物质积累.中温条件适于短期储存(1.5个月)过程中维持颗粒污泥结构稳定,而常温适于长期储存(3个月).不同条件储存后,污泥中的优势菌群在门水平和属水平相似,分别为Chloroflexi、Bacteriodetes、Euryarchaeota、Hyd24-12和Anaerolinea、Bacteroidales、T78、Methanobacterium、Methanosaeta.但功能菌群受温度影响变化显著,常温条件下产甲烷菌群相对丰度下降至2.70%~3.00%,而发酵菌群丰度提高至65.90%~67.40%.中温和基质对污泥菌群结构影响较小.综合而言,常温利于维持AGS理化性能和结构稳定,中温利于维持菌群活性和结构稳定,基质添加利于增强AGS的综合性能,但效果不显著.     

降温过程对ANAMMOX工艺城市污水处理系统中微生物群落的影响

厌氧氨氧化是污水脱氮工艺中的重要环节,系统中的菌群结构决定了其处理效果.低温厌氧氨氧化技术因节省大量能源更具有良好的发展前景,厌氧氨氧化细菌在其中起着至关重要的作用.为了探讨降温过程中(由30℃降为20℃时)厌氧氨氧化反应器处理城市污水时微生物群落的变化,利用磷脂脂肪酸(PLFA),定量PCR和PCR-DGGE分析方法对城市生活污水厌氧氨氧化系统中的微生物的量、厌氧氨氧化菌的量以及功能微生物菌群的变化进行了研究.磷脂脂肪酸分析结果显示当温度由30℃降为20℃时,微生物的总量首先降低,随着运行时间的延续逐渐升高.定量PCR结果显示厌氧氨氧化菌16S rRNA基因拷贝数由30℃的1.19×108m L-1增至20℃的1.86×108m L-1,系统出水氨氮降低.PCR-DGGE结果显示降温过程中颗粒污泥中厌氧氨氧化菌群由Candidatus Kuenenia sp.为主,转变为Candidatus Brocadia sp.和Candidatus Kuenenia sp.为主的混合菌.     

厌氧氨氧化颗粒污泥EPS及其对污泥表面特性的影响

取厌氧氨氧化EGSB反应器中颗粒污泥,根据粒径筛分为R1(0. 5～1. 4 mm)、R2(1. 4～2. 8 mm)和R3( 2. 8 mm)这3组.提取不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥EPS,分析EPS特性及其对厌氧氨氧化聚集体表面特性的影响.随着厌氧氨氧化颗粒污泥粒径的增加,PS含量介于(10. 69±0. 11)～(12. 28±0. 15) mg·g~(-1)之间,而PN含量从(56. 88±0. 86) mg·g~(-1)增加到(98. 59±2. 10) mg·g~(-1),且PN/PS从5. 32提高到9. 05.不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥EPS官能团及三维荧光组分含量不同.随着颗粒污泥粒径增大,蛋白质二级结构α-螺旋/(β-折叠+无规卷曲)值从0. 60逐渐降低到0. 43,这种变化有利于污泥表面疏水性的表达.随着颗粒污泥粒径的增大,污泥表面疏水性由54. 2%提高到63. 1%,Zeta电位由-41. 2 m V增加到-31. 5 m V,疏水性的增强和表面电荷的增大有利于颗粒污泥的聚集.厌氧氨氧化颗粒污泥EPS可以增强污泥疏水性和提高Zeta电位,EPS中的PN发挥着重要的作用.     

间歇性饥饿对厌氧氨氧化菌混培物保藏特性的影响

厌氧条件下,采用4℃、4℃并每隔10 d换1次NO-2-N/NH+4-N浓度比为1.32的基质、4℃并每隔10 d换1次NO-2-N/NH+4-N浓度比为1.63的基质3种方法保藏厌氧氨氧化菌混培物,研究间歇性饥饿对厌氧氨氧化菌混培物保藏特性的影响.结果表明,间歇性饥饿对厌氧氨氧化菌混培物的危害大于长期性饥饿,且亚硝态氮浓度越高危害越大;另厌氧氨氧化菌混培物活性还与血红素c含量有直接相关性,无外界颜色干扰时厌氧氨氧化菌混培物颜色还可直观反映其活性和血红素c含量,且厌氧氨氧化菌混培物的颗粒结构及其富含的胞外多聚物能增强其抵抗外界不利因素的能力.在试验的5个月内,3种方法下的活性衰减速率均先快后趋于稳定,趋于稳定时的三者活性保留率分别为75.3％、70.8％、62.7％.     

酰基高丝氨酸内酯延缓好氧颗粒污泥解体的研究

为探究外源信号分子对好氧颗粒污泥(AGS)稳定性的影响,在SBAR系统中分别投加不同类型的酰基高丝氨酸内酯(AHLs),并分析AGS胞外聚合物(EPS)相对含量变化,采用液相色谱-质谱技术(LC-MS)分析系统中信号分子的分布,基于BugBase物种表型预测微生物种群变化.结果表明,投加C12-HSL对微生物分泌EPS有明显促进作用,EPS含量达120.78 mg·g^-1,系统运行90 d未出现颗粒解体现象,可维持AGS稳定状态;信号分子投加后C10-HSL主要分布于水相,而C12-HSL和C14-HSL更容易进入泥相;信号分子投加后种群结构变化显著,革兰氏阴性菌属丰度都有不同提升,在投加C12-HSL之后优势菌属为可塑菌属(Plasticicumulans)丰度显著增加(可达18.14%)、黄杆菌属(Flavobacterium)、梭菌属(Clostridium＿sensu＿stricto＿1).C12-HSL通过提高革兰氏阴性厌氧菌属,并促进内源C14-HSL分泌,进而使EPS相对含量增加的方式延缓好氧颗粒污泥解体.     

气升装置对厌氧氨氧化反应器脱氮效能的影响

通过接种厌氧氨氧化污泥研究了气升回流装置在提高进水基质浓度以提高反应器氮负荷过程中对反应器脱氮效能的影响.结果表明,在气升室中利用厌氧氨氧化反应产生的氮气作为动力可以实现出水自动循环.随着反应器脱氮效能的提高,气升室回流量也逐步增加,能够有效稀释进水基质浓度,缓解其对厌氧氨氧化菌的抑制.经过183 d运行,进水NH+4-N、NO-2-N质量浓度分别提高至700 mg·L-1和840 mg·L-1,出水NH+4-N和NO-2-N质量浓度最高达到46.3 mg·L-1和53.21mg·L-1,氮去除速率稳定在28.3 kg·(m3·d)-1左右.说明气升装置所形成的自回流系统能够有效改善传统厌氧氨氧化反应器运行过程中高基质浓度抑制的问题,同时减少外置回流泵的动力消耗,是一种经济有效的措施.     

温度和基质浓度对厌氧氨氧化工艺中N2O释放的影响

污水生物脱氮工艺中通常会释放温室气体N₂O,厌氧氨氧化工艺作为新型生物脱氮工艺,其N₂O的释放规律及机制值得深入研究.本文利用厌氧氨氧化序批试验,研究了不同温度和基质浓度对厌氧氨氧化工艺中N₂O释放的影响,并探讨了N₂O释放的微生物机制.结果表明,厌氧氨氧化工艺中进水基质浓度的增加会促进N₂O释放,在35℃条件下,当进水亚硝氮从40 mg ·L^-1增加至60 mg ·L^-1和120 mg ·L^-1时,N₂O最高积累浓度从0.5 mg ·L^-1增加至1.5 mg ·L^-1和2.4 mg ·L^-1,分别占总氮去除量的0.85%、1.43%和1.11%.温度降低对厌氧氨氧化活性抑制作用明显,15℃下的比厌氧氨氧化活性仅为30℃时的6%.温度降低导致厌氧氨氧化工艺中N₂O的释放减少,温度降低时反硝化速率的降低是导致N₂O产生速率降低、N₂O积累减少的主要原因.厌氧氨氧化工艺微生物群落中存在丰富的异养反硝化菌,工艺中N₂O积累主要是反硝化菌产生和消耗N₂O的结果.     

基质比对ABR厌氧氨氧化工艺脱氮性能的影响

为解决厌氧氨氧化底物去除不彻底导致总氮去除偏低的问题,通过控制不同的进水基质比,对厌氧折流板反应器(ABR)的厌氧氨氧化脱氮性能进行了研究.结果表明,ABR厌氧氨氧化系统最佳进水N_2~O--N/NH+4-N为1.34,此时NH+4-N和N_2~O--N的去除率同时达到99.99%左右,总氮去除率达到峰值为87%,当进水N_2~O--N/NH+4-N从1逐渐降低至0.49和从1.34逐渐提高至1.62时,反应器对NH+4-N和N_2~O--N的绝对去除量较为稳定,NH+4-N或N_2~O--N过量对ABR厌氧氨氧化系统没有产生明显抑制;此外,不同基质比条件下,NH+4-N和N_2~O--N的去除基本在第1隔室完成,基质比变化对ABR各隔室的脱氮效果没有产生显著影响,ABR厌氧氨氧化系统对基质浓度的变化具有较好的稳定性.     

厌氧氨氧化菌的培养与推流式反应器氨厌氧工艺

采用推流式固定化絮体生物反应器培养出高活性的厌氧氨氧化(ANAMMOX)红色颗粒污泥.在稳定运行后,反应器的NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率皆大于98%,TN平均去除率为86%,NO₃^--N的生成率约为14%,TN去除负荷达2.56kg/(m³·d).同时考察了进水基质比例对反应器性能的影响,并用扫描电镜观察了颗粒结构.     

厌氧氨氧化过程中COD及pH与基质浓度之间的关系

分析了上向流厌氧氨氧化生物滤池中氮素化合物浓度、COD和pH变化规律以及ANAMMOX活性和生物量的分布规律,利用数理统计的方法研究了厌氧氨氧化过程中COD和pH与氮素基质浓度之间的关系.结果表明,溶解氧和氮负荷的共同作用使得ANAMMOX活性和生物量的分布沿滤层深度呈"山脊"状不均匀分布;异养反硝化的存在和H+的消耗使得厌氧氨氧化过程中COD和pH分别呈降低和升高趋势;100 mg/L以下的有机物浓度对厌氧氨氧化菌的影响不大,且COD和pH与基质NH4+-N浓度之间呈良好的线性相关关系.本试验中COD-NH4+-N和pH-NH4+-N拟合直线的斜率分别为1.113 8±0.052 2和-0.111 3±0.001 2,置信度为95%,平均相关系数R2分别为0.982 3和0.985 0.